Le radiazioni e la loro misura Le radiazioni e le radiazioni ionizzanti Nuclei, radioattività, reazioni nucleari Einstein, la legge E = mc 2 e l'energia nucleare Uso degli strumenti di misura
Che cosa sono le radiazioni Il termine RADIAZIONE viene usato, a volte, in alternativa a ONDE ELETTROMAGNETICHE soprattutto quando ci si riferisce a particolari frequenze dell'onda elettromagnetica. Infatti a seconda delle frequenze coinvolte, si parla di : onde radio, radiazioni infrarosse, luminose, ultraviolette,... radiazioni ionizzanti Per ogni tipo di radiazione c'è sempre: Una sorgente Un rivelatore Qualche cosa che viaggia dalla sorgente al rivelatore Ciò che viaggia è... un flusso di energia!
L'energia della radiazione L'energia della radiazione è portata da singoli granelli, i quanti di energia (chiamati fotoni) L'energia E del singolo quanto si calcola dalla ipotesi di Einstein, E = h f (f = frequenza della radiazione h = 6,6 x 10-34 J s costante di Plank)
I quanti di energia Alcuni esempi per capire gli ordini di grandezza dell'energia coinvolta nelle diverse radiazioni: Quanta energia ha un fotone rosso? Pochissima: circa 3 x 10-19 joule ( 2 ev) ottenuta dal calcolo 6,6 x 10-34 (J s) x 4,5 x 10 14 (s -1 ) Un fotone termico ha un'energia 10 volte più piccola e un fotone del telefono cellulare circa un miliardo di volte di meno ( 10-9 ev)
Per ogni tipo di quanto occorrono sorgenti e rivelatori opportuni La sorgente: trasforma in energia radiante altre forme di energia Il rivelatore: trasforma l'energia radiante in altre forme di energia
Esempio In una lampadina (sorgente di fotoni visibili ) Energia elettrica Energia termica Energia radiante
Esempio Nella retina dell'occhio (rivelatore di fotoni visibili ) Energia radiante Energia chimica Energia elettrica
I rivelatori e la soglia di sensibilità Qual è la minima energia perchè il rivelatore funzioni? E quindi qual è il numero minimo di quanti di energia? Non è un problema di energia ma di potenza = E / Δt (J/s) E quindi di numero di quanti al secondo
Esempio Quanti fotoni al secondo colpiscono la retina se siamo in grado di vedere un LED rosso alla distanza di 500 m? Bisogna considerare: La potenza del LED e l'energia di un fotone La distanza tra retina e LED Area sensibile della retina
La frazione F di potenza intercettata è circa proporzionale al quadrato del rapporto tra il raggio dell'area sensibile della retina r e la distanza tra retina e LED R. Quindi per r 2 mm e R 500 m F r 2 /R 2 10-11 Per un LED di 1 W di potenza che emetta fotoni da 10-19 J il numero di fotoni al secondo risulta essere circa 10-11 1 W / 10-19 J = 100 milioni
Le radiazioni ionizzanti I loro quanti hanno energie miliardi di volte maggiori dell'energia delle radiazioni visibili L'energia è così alta che un rivelatore può facilmente rivelare il singolo quanto Da dove proviene questa enorme energia? Da reazioni nucleari
Cominciando da ciò che sapete Gli atomi di ciascun elemento della tavola periodica sono distinti per numero atomico Z numero di massa A Le reazioni chimiche conservano: le specie atomiche la massa ovvero gli atomi si aggregano in modo diverso, ma mantengono la loro identità.
Le reazioni nucleari Verso la fine del 1800, Bequerel, dimenticando dei sali di uranio a contatto con delle emulsioni fotografiche, scopre che le emulsioni si erano annerite senza che i sali fossero stati esposti al sole; non riesce però ad interpretare il fenomeno All'inizio del 1900 : vengono scoperti dei fenomeni quantistici interpretati da Plank Einstein enuncia la sua teoria della relatività ristretta introducendo anche il concetto di equivalenza tra massa ed energia Rutherford formula la sua teoria atomica Negli anni successivi, continuando a studiare le reazioni nucleari, si riesce a fornire anche un modello per il nucleo, introducendo anche il concetto di isotopo
La struttura interna dei nuclei e le reazioni nucleari Ogni nucleo è caratterizzato da un proprio numero di carica Z numero di massa A Si chiamano isotopi quei nuclei che hanno lo stesso Z ma diverso A, ovvero hanno stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni Il numero Z è dato dal numero di protoni presenti nel nucleo, mentre il numero A è dato dal numero totale di nucleoni (protoni + neutroni) Nelle reazioni nucleari i nuclei possono trasformarsi gli uni negli altri ma si conservano il numero totale di cariche elettriche e il numero totale di nucleoni Nel conteggio delle cariche elettriche che intervengono nella reazione, vanno inclusi anche gli eventuali β + o β -, che portano carica elettrica ma hanno numero di massa nullo, non essendo dei nucleoni
Esempi di reazioni nucleari
Massa ed energia nelle reazioni nucleari Dall'uranio fermo vengono prodotti Torio e particella α in movimento per effetto della conservazione della quantità di moto e quindi la massa dell'uranio deve essere maggiore della somma delle singole masse dei prodotti di decadimento
Il difetto di massa
L'energia di legame Dalla precedente diapositiva e dall'equivalenza tra massa ed energia si vede che se il nucleone fosse libero, fuori dal nucleo e fermo,la sua energia minima sarebbe quella dovuta alla sua massa. Nel nucleo invece la sua energia è minore, ovvero gli serve energia per diventare libero: questa energia mancante è l'energia di legame
L'energia di legame e il numero di massa ΔE(Th 234 U 238 ) = 0,018 per nucleone ΔE(α U 238 ) = -0,5 per nucleone Quindi in totale l'energia che si libera nella reazione è data da ΔE = 234 0,018 4 0,5 = 4 MeV
Un po' di conti Per i contatori geiger che verranno usati si può stimare: Una massa di circa 1 grammo nella zona sensibile Energia media depositata dalla singola particella circa 10-13 Joule (0,5 Mev) Fattore di qualità circa 1(i nuclei pesanti vengono bloccati dalla finestra di protezione del tubo geiger) Per passare da Bq (conteggio medio al secondo) a msv/anno: 1 Bq 10 7 conteggi/anno (1 anno = 365 giorni * 24 h/giorno * 3600 s/h) 1 conteggio nel contatore 10-13 J/10-3 kg = 10-10 Sv 10 7 conteggi/anno 10-3 Sv/anno 1 msv/anno 1 conteggio/secondo è ben al di sotto del limite raccomandato